基于PLC控制的車架柔性拼裝夾具設(shè)計(jì)

楊華東，梁森，劉振海

（1.青島理工大學(xué)，山東青島266000；2.一汽解放青島汽車有限公司，山東青島266217）

基于PLC控制的車架柔性拼裝夾具設(shè)計(jì)

楊華東1，2，梁森1，劉振海2

（1.青島理工大學(xué)，山東青島266000；2.一汽解放青島汽車有限公司，山東青島266217）

本文提出了卡車車架柔性拼裝夾具的設(shè)計(jì)思路及實(shí)施方案,其中包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，主要闡述了如何利用PLC處理器、位移傳感器及集成液壓系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)夾具的動(dòng)力系統(tǒng)的控制,實(shí)現(xiàn)夾具參數(shù)控制的自動(dòng)調(diào)整和柔性化控制的過程。

車架；柔性拼裝夾具；PLC；卡車

車架總成拼裝夾具主要用于車架裝配過程中的總成拼裝工序，對(duì)車架的各個(gè)組成部件先定位，然后再進(jìn)行緊固，以保證總成組裝后關(guān)鍵尺寸的裝配精度。由于總成拼裝夾具的輔助，使裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率大大提高，因此該裝配工藝方法在國(guó)內(nèi)各主流卡車生產(chǎn)廠家車架總成裝配過程中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。

但目前常用的總成拼裝夾具多為針對(duì)一種或幾種車型設(shè)計(jì)，定位參數(shù)變化一般采用機(jī)械定位塊實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品適用范圍窄，柔性化程度很差。且機(jī)械定位塊進(jìn)行參數(shù)調(diào)整時(shí)操作繁瑣，定位精度難以保證，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和裝配質(zhì)量[3-5]。

鑒于此種情況，本文在現(xiàn)有總成拼裝夾具應(yīng)用的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的柔性化自動(dòng)控制夾具。即采用位移傳感器、集成液壓系統(tǒng)、PLC控制器實(shí)現(xiàn)總成拼裝夾具系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)，配合機(jī)械運(yùn)動(dòng)單元，實(shí)現(xiàn)多品種車型更換參數(shù)時(shí)的快速調(diào)整和機(jī)械裝置的精確定位，樣機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果證實(shí)了本文提出的設(shè)計(jì)方案的有效性。

1 車架裝配柔性拼裝夾具的設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 車架裝配工藝流程

車架總成拼裝夾具主要應(yīng)用于車架總成裝配，是車架總成生產(chǎn)線諸多工裝設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備。根據(jù)圖1所示的車架裝配工藝流程布置方案，此套工裝夾具布置于生產(chǎn)線的車架裝配一工位上。工作內(nèi)容主要是將單股鉚接工位上轉(zhuǎn)運(yùn)過來(lái)的縱梁鉚接總成和分裝后的零部件總成進(jìn)行固定合裝,形成車架總成。要求在裝配過程中對(duì)定位尺寸進(jìn)行控制,保證車架裝配精度。車架總成裝配完成后，由空中輸送裝置將該總成轉(zhuǎn)運(yùn)至后序工位繼續(xù)裝配。

1.2 柔性拼裝夾具的主要參數(shù)

該夾具應(yīng)用于車架總成流水生產(chǎn)線，需滿足“多品種、小批量、多批次”的柔性生產(chǎn)模式。目前產(chǎn)品主要包含某公司輕、中、重型三個(gè)平臺(tái)系列的卡車車架，根據(jù)車架裝配特點(diǎn)及外部形狀分類主要可分為如圖2a的直通梁車架及如圖2b的前寬后窄車架。具體產(chǎn)品參數(shù)見表1。

圖1 車架裝配工位布置圖

圖2 不同車型的車架

卡車車架總成作為卡車整車關(guān)鍵的總成部件之一，其總成質(zhì)量的好壞是影響整車裝配質(zhì)量及使用性能好壞的一個(gè)重要因素。因此車架在裝配過程中必須做好寬度、對(duì)角線、同軸度等關(guān)鍵尺寸的精度控制，以滿足后序大總成部件裝配及整車質(zhì)量要求,實(shí)現(xiàn)使用性能。主要控制參數(shù)及允許誤差范圍見表2。

表1 車架結(jié)構(gòu)的裝配參數(shù)

表2 車架結(jié)構(gòu)的裝配參數(shù)控制范圍

2 柔性拼裝夾具系統(tǒng)

車架總成拼裝夾具具體系統(tǒng)如圖3所示，它主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及人機(jī)交互界面幾大部分組成。

圖3 柔性拼裝夾具系統(tǒng)組成

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)械結(jié)構(gòu)作為整套工裝的重要工作部分，主要由固定裝配臺(tái)的基準(zhǔn)臺(tái)面、車架左右縱梁的夾緊和撐開單元、支撐縱梁的支撐機(jī)構(gòu)以及控制車架對(duì)角線的左右定位機(jī)構(gòu)等幾部分組成，如圖4所示。

夾具各運(yùn)動(dòng)模塊通過驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其輸送與定位夾緊功能。下面主要從夾緊單元和定位單元兩個(gè)方面就對(duì)如何實(shí)現(xiàn)夾具的柔性，如何控制裝配精度，加以詳細(xì)說(shuō)明。

2.1.1 夾緊單元

如圖4所示的車架拼裝夾具共設(shè)置了4組夾緊單元，其中2、3、4三組為固定基準(zhǔn)夾緊單元，6為基準(zhǔn)可調(diào)夾緊單元。

車架總成關(guān)鍵尺寸的精度控制主要是由2、3、4和6四組夾緊單元配合定位單元5通過合理的控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)主要通過四個(gè)夾緊單元夾緊寬度的變化實(shí)現(xiàn)車架寬度在750mm～865mm范圍內(nèi)的直通梁車架總成的寬度尺寸控制；通過定位單元的定位銷精確定位實(shí)現(xiàn)車架的對(duì)角線尺寸及同軸度偏差控制；通過夾緊單元的底部支撐面、側(cè)支撐面的T形定位塊和內(nèi)側(cè)夾緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)車架總成梯形尺寸及整體平面度的控制。

圖4 柔性拼裝夾具機(jī)械結(jié)構(gòu)

各夾緊單元均采取單側(cè)移動(dòng)，另一側(cè)為定位基準(zhǔn)。4個(gè)夾緊單元分布于整個(gè)12m長(zhǎng)的夾具上，并可以沿縱向夾緊單元上的直線導(dǎo)軌7進(jìn)行區(qū)間移動(dòng)。通過不同夾緊單元的組合，就可以實(shí)現(xiàn)各種長(zhǎng)度的縱梁夾緊，而且單根縱梁的夾緊點(diǎn)數(shù)不少于3個(gè)，有效地保證了縱梁定位的精度要求。同時(shí)，車型參數(shù)輸入后系統(tǒng)會(huì)根據(jù)車架長(zhǎng)度和車架部件特征以?shī)A具前端定位點(diǎn)為基準(zhǔn)自動(dòng)選擇組合夾緊單元，避免非工作夾緊單元空運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)特殊零部件避讓。

為滿足前寬后窄車架前端特殊寬度的控制需要，夾緊單元6采用了特殊設(shè)計(jì)。其定位基準(zhǔn)可以相對(duì)于2、3、4三組夾緊單元的夾緊中心線進(jìn)行基準(zhǔn)調(diào)整，使其工作范圍變大，滿足前端變寬車架的夾緊尺寸需求，如圖4所示。生產(chǎn)直通梁車型時(shí)，夾具整體在寬度方向上各夾緊單元尺寸基準(zhǔn)一致；生產(chǎn)前寬后窄車型時(shí)，可通過參數(shù)調(diào)整將夾緊單元6寬度基準(zhǔn)相對(duì)夾具中心線向外側(cè)調(diào)整，調(diào)整后夾緊動(dòng)作與其余三組保持同步。

根據(jù)功能和結(jié)構(gòu)將夾具夾緊單元?jiǎng)澐譃閮煞N類型：同一種結(jié)構(gòu)類型，如圖4中2、3、4所示；特殊結(jié)構(gòu)類型，如圖4中6所示。圖5給出了具體夾緊單元結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

圖5 柔性拼裝夾具夾緊單元

圖5a所示的夾緊單元，夾緊機(jī)構(gòu)工作部分采用液壓缸驅(qū)動(dòng)提供夾緊力。為控制整體夾具外形寬度尺寸，提升操作空間，夾緊工作部分采用內(nèi)側(cè)液壓缸拉緊方式，在基準(zhǔn)立柱2與移動(dòng)立柱4之間底部安裝拉緊油缸1。在油缸作用下移動(dòng)立柱4沿底部橫向直線導(dǎo)軌9往復(fù)移動(dòng)。其主要功能是定位縱梁的腹面，配合其與夾緊單元矯正變形的縱梁。

圖5b所示的夾緊單元，除了具備圖5a的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外，在定位基準(zhǔn)立柱側(cè)設(shè)置了一組獨(dú)立驅(qū)動(dòng)液壓缸，實(shí)現(xiàn)了定位基準(zhǔn)在80mm范圍內(nèi)精確調(diào)整。方便操作者根據(jù)前寬后窄車型的前端尺寸進(jìn)行基準(zhǔn)調(diào)整，滿足車架前寬后窄車型裝配需要。

各夾緊單元縱梁支撐平臺(tái)底部設(shè)計(jì)內(nèi)側(cè)夾緊機(jī)構(gòu)3（見圖5a），由頂出液壓缸和夾緊機(jī)構(gòu)組成。主要用于縱梁外側(cè)定位后內(nèi)側(cè)夾緊裝配，保證縱梁腹面與定位T形塊緊密貼合，消除縱梁腹面傾斜帶來(lái)的車架總成梯形尺寸偏差。夾緊機(jī)構(gòu)末端設(shè)置快換萬(wàn)向定位夾頭，通過更換夾頭裝配位置實(shí)現(xiàn)200mm～320mm范圍內(nèi)不同腹面的縱梁可靠夾緊。

所有夾緊單元定位位移傳感器均設(shè)計(jì)在液壓缸內(nèi)部，避免磕碰，保證使用精度，提高使用壽命。夾具各機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部位在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行合理的部件公差分配，均采用數(shù)控設(shè)備進(jìn)行高精度加工。安裝調(diào)試過程中利用高精度大尺寸光筆測(cè)量設(shè)備，進(jìn)行跟蹤測(cè)量。最終實(shí)現(xiàn)整體裝配精度誤差小于0.3mm。

2.1.2 定位單元

夾具前端設(shè)有左/右定位裝置，利用左/右縱梁腹面的定位孔定位，定位采用手持定位銷定位方式。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)共設(shè)置6組直徑不同定位銷，可滿足6種規(guī)格同軸孔定位要求。兩側(cè)定位立柱可以沿底部橫向直線導(dǎo)軌往復(fù)移動(dòng)，便于不同寬度車架快速定位。

在縱梁下落過程中，將定位銷放入左右縱梁腹面的同軸定位孔中，定位銷隨縱梁一起放入定位單元的U型定位面，實(shí)現(xiàn)靈活定位。在裝配過程中先定位再進(jìn)行內(nèi)側(cè)夾緊，保證定位后車架總成對(duì)角線差值控制在2mm內(nèi)。具體定位單元結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 定位單元

2.2 柔性拼裝夾具液壓系統(tǒng)

總成拼裝夾具的多組液壓缸驅(qū)動(dòng)共用一套液壓站，油泵流量48L/Min，系統(tǒng)壓力12MPa。液壓站采用外置循環(huán)溫度固定型油液冷卻溫控裝置，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)油溫按預(yù)設(shè)值自動(dòng)控制，避免油溫過高現(xiàn)象，以保證工作主機(jī)或液壓系統(tǒng)能長(zhǎng)期、可靠、高效地工作。整個(gè)系統(tǒng)共有5組比例伺服閥控制的液壓驅(qū)動(dòng)油缸用于夾緊定位，四組普通油缸用于內(nèi)撐夾緊。在各執(zhí)行元件動(dòng)作到位后系統(tǒng)有保壓功能（液壓泵卸荷，避免發(fā)熱，液壓泵卸荷的過程中，夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊力不變）。具體液壓系統(tǒng)原理如圖7所示。

2.3 柔性拼裝夾具系統(tǒng)的控制

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該套柔性總成拼裝夾具在實(shí)際生產(chǎn)過程中需要滿足12種寬度、長(zhǎng)度各不相同的車架總成裝配需要。由于生產(chǎn)線采用“多品種、小批量、多批次”的柔性生產(chǎn)模式，實(shí)際生產(chǎn)中車型經(jīng)常更換導(dǎo)致裝配夾具的車型參數(shù)要進(jìn)行頻繁調(diào)整。為保證生產(chǎn)節(jié)拍，該套夾具必須實(shí)現(xiàn)車型更換時(shí)參數(shù)及工作部位的快速調(diào)整。

圖7 液壓系統(tǒng)原理

經(jīng)分析，最終柔性拼裝夾具采用了基于PLC控制系統(tǒng)的柔性化控制技術(shù)。利用PLC控制器、直線位移傳感器完成定位距離測(cè)定功能，取消常用固定尺寸定位塊，實(shí)現(xiàn)參數(shù)快速調(diào)整。同時(shí)各組定位夾緊機(jī)構(gòu)，可以同步動(dòng)作，也可分別動(dòng)作，根據(jù)輸入指令自由組合并完成車架夾緊，可實(shí)現(xiàn)12種車型快速切換和定位塊精確定位。

2.3.1 控制動(dòng)作說(shuō)明

圖8 夾具動(dòng)作流程圖

夾具具體工作動(dòng)作流程如圖8所示。車架柔性拼裝夾具在控制程序編制時(shí)以實(shí)際工作流程為基礎(chǔ)，對(duì)復(fù)雜裝配工藝進(jìn)行多工步分解。為適應(yīng)不同車架零部件裝配，夾具夾緊時(shí)采取分步動(dòng)作，首先進(jìn)行一次夾緊，之后夾緊寬度比車架理論尺寸寬25mm，方便全尺寸總成部件及螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件裝配。裝配完成后再完成二次夾緊，達(dá)到車架控制寬度，然后緊固。夾緊單元及內(nèi)撐夾緊松開時(shí)采取手動(dòng)觸摸操作，離手即停，防止誤操作。

2.3.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證控制精度及設(shè)備運(yùn)行效率，提升整個(gè)控制系統(tǒng)的抗干擾能力，夾具控制系統(tǒng)采取了以比例伺服閥為基本控制元件的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)。幾組液壓缸位移協(xié)同運(yùn)動(dòng)主要以位置控制為主，速度控制為輔，同時(shí)進(jìn)行加速度控制。其主要的控制元件有：指令元件、比較元件、電控器、比例閥、液壓執(zhí)行器和檢測(cè)反饋元件幾個(gè)部分。夾具控制系統(tǒng)中央處理器單元采用西門子S7-300；位移控制采用巴魯夫內(nèi)置位移傳感器BTL7-E100-M0350-BS32；比例伺服閥采用4WRAE10W60-2X/G24K31/A1V，控制模塊內(nèi)置，重復(fù)精度誤差小于3％，滯環(huán)小于6％。該比例閥是本控制系統(tǒng)中最重要的一種控制元件,它能將微弱的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成大功率的液壓信號(hào)（流量和壓力）。控制回路中用電信號(hào)作為控制信號(hào)和反饋信號(hào)使整個(gè)系統(tǒng)靈活、快速、方便；整個(gè)系統(tǒng)慣量小、精度高[6]。夾具控制系統(tǒng)原理如圖9所示。

圖9 控制原理圖

在整個(gè)總拼夾具柔性化控制系統(tǒng)中，液壓發(fā)生器提供整套夾具各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力；各組伺服液壓油缸通過油缸活塞桿帶動(dòng)相應(yīng)夾緊單元按照設(shè)定參數(shù)進(jìn)行軌跡運(yùn)動(dòng)。直線位移傳感器對(duì)夾緊單元的運(yùn)動(dòng)位移進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并將信號(hào)反饋給PLC處理器；處理單元將位移傳感器反饋值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)參數(shù)值進(jìn)行即時(shí)比對(duì)，根據(jù)比對(duì)結(jié)果形成控制信號(hào)；同時(shí)將信號(hào)作為比例伺服閥的輸入信號(hào)進(jìn)入其指令元件，控制比例伺服閥的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)油缸進(jìn)出油量的精確控制，從而控制夾緊單元的各運(yùn)動(dòng)模塊的運(yùn)行精度。并且通過系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)夾具全部運(yùn)行動(dòng)作的自動(dòng)控制。PLC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

2.3.3 人機(jī)交互界面

為了方便人員操作及夾具參數(shù)調(diào)整，總拼夾具控制系統(tǒng)采用了可視化人機(jī)交互界面，利用觸摸屏控制命令輸入，通過不同操作界面可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種控制模式。工作過程中可以根據(jù)需要隨時(shí)對(duì)夾具車型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，手動(dòng)模式可對(duì)夾具的多組夾緊工作單元進(jìn)行任意匹配調(diào)整，對(duì)單個(gè)夾緊單元進(jìn)行動(dòng)作微調(diào)，滿足特殊車型的工作狀態(tài)需要，具體操作界面如圖11、12所示。

圖10 PLC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖11 主操作界面

圖12 單元選擇界面

3 實(shí)施效果

經(jīng)過加工、裝配和調(diào)試，本文柔性拼裝夾具實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)情況如圖13所示。

圖13 夾具應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)圖

從實(shí)際運(yùn)行結(jié)果來(lái)看，這種柔性化的設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)了在一套柔性拼裝夾具上滿足多種車型和批量混線生產(chǎn)的功能要求，優(yōu)化了車架總成拼裝工藝；簡(jiǎn)化了操控過程的復(fù)雜程度；提高了車架總成關(guān)鍵尺寸的控制能力，提高了生產(chǎn)效率。為卡車車架總成總拼夾具向高效、柔性化方向發(fā)展積累了經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)論

此次柔性拼裝夾具在傳統(tǒng)的車架總成裝配夾具應(yīng)用基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品工藝特點(diǎn)，通過對(duì)各種車架之間的異同進(jìn)行分析，找出其規(guī)律，采取數(shù)控柔性化設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方式雖使單體夾具的機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度有所增加，但是減少了夾具種類，整個(gè)生產(chǎn)線的工裝成本投入得到很大程度的降低，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期也大大縮短。柔性拼裝夾具系統(tǒng)作為整個(gè)裝配工藝流程中的一個(gè)關(guān)鍵工裝，必將隨著車架裝配工藝技術(shù)水平的提升，而得到不斷創(chuàng)新和快速發(fā)展。此套柔性化總拼夾具的設(shè)計(jì)應(yīng)用，將為未來(lái)卡車車架總成總拼夾具向高柔性化、智能化和數(shù)字化方向發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

[1]姜海濤，修永芝.車架總成柔性化鉚接夾具設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代零部件，2013，（2）：78-80.

[2]曾東建.汽車制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]應(yīng)毅萍.車架總拼夾具設(shè)計(jì)解決方案[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011，（6）：103-104.

[4]徐明民.新型車架鉚接定位技術(shù)[J].汽車工藝與材料，2001，（6）：6-8.

[5]王忠勝.車架定位合裝胎的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].重型汽車，2012，（3）：19-20.

[6]陳彬，易孟林.電液伺服閥的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].液壓與氣動(dòng)，2005，（6）：5-8.

Design of flexible assembly fixture for truck frame based on PLC control

YANG Huadong1，2,LIANG Sen1,LIU Zhenhai2
（1.Qingdao Technological University,Qingdao 266000,Shandong China；2.FAW Jiefang Qingdao Automotive Co.,Ltd.,Qingdao 266217,Shandong China）

The design idea and implementation plan of flexible assembly fixture for truck frame have been put forward in the text,which includes mechanical structure and control system.The way to use PLC processor,displacement sensor and integrated hydraulic system to control the power system of the fixture has been mainly described.The automatic adjustment of parameter control and flexible control process for the fixture have been realized.

Frame;Flexible assembly fixture;PLC control

TP211

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.05.012

1672-0121（2016）05-0040-05

2016-06-17；

2016-07-29

楊華東（1981-），男，碩士在讀，高級(jí)工程師，從事卡車車架部件沖壓及總成裝配工藝研究。E-mail：13954275668@163.com